Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất khi sấy phun cà chua

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

.......................................

TRẦN THỊ THU HẰNG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT KHI SẤY PHUN CÀ CHUA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : GS. TSKH ĐẶNG QUỐC PHÚ

HÀ NỘI – 2010


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS.TSKH. Đặng Quốc Phú – người
thầy đã luôn động viên và tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học tập và hướng
dẫn tôi làm luận văn này.
Tác giả cũng xin cảm ơn các thầy cô giáo và anh em đồng nghiệp của Viện
Khoa học & Công nghệ Nhiệt Lạnh – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn ở bên, động viên và tạo mọi điều kiện
giúp đỡ tôi để tôi hoàn thành luận văn.

Tác giả

Trần Thị Thu Hằng

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của
thầy Đặng Quốc Phú.
Các số liệu thực nghiệm và các kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung
thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Trần Thị Thu Hằng

ii


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................................1
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY PHUN ...............................................3
1.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY PHUN ........3
1.1.1 Giới thiệu công nghệ sấy phun .............................................................................3
1.1.2 Phân loại và nguyên lý hoạt động của các loại thiết bị sấy phun .........................3
1.2 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG THIẾT
BỊ SẤY PHUN...................................................................................................................8
1.3 CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG SẤY PHUN ................10
1.3.1 Các nghiên cứu lý thuyết ....................................................................................10
1.3.2 Các nghiên cứu thực nghiệm ..............................................................................12
CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................................15
2.1 MỤC ĐÍCH CỦA NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...............................................15
2.2 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM .........................................................................................15
2.2.1 Mục đích và yêu cầu của thiết bị thí nghiệm ......................................................15

2.2.2 Thiết bị thí nghiệm IC40D..................................................................................15
2.2.3 Kiểm tra, cải tạo thiết bị......................................................................................17
2.3 LỰA CHỌN VẬT LIỆU SẤY ..................................................................................20
2.3.1 Giới thiệu về sản phẩm .......................................................................................20
2.3.2 Tính chất vậy lý của vật liệu sấy.........................................................................21
2.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ LỰA CHỌN HÀM MỤC TIÊU .......................23
2.4.1 Lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng ..........................................................................23
2.4.2 Lựa chọn hàm mục tiêu ......................................................................................23
2.5 QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM ..............................................................................24
2.5.1 Khái niệm............................................................................................................24
2.5.2 Trình tự tiến hành ...............................................................................................25
2.6 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM ........................................................27
2.6.1 Các chế độ thí nghiệm ........................................................................................27
2.6.2 Chuẩn bị nguyên liệu sấy....................................................................................27
2.6.3 Quy trình sấy và lấy số liệu ................................................................................27
2.7 ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM..............................................32
2.8 XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM..........................................................................33
2.8.1 Xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích theo số liệu thực nghiệm.........................33
2.8.2 Xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích theo công thức của Luikov......................34
2.9 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................................................34
2.9.1 Hệ số trao đổi nhiệt thể tích của cà chua ............................................................34
2.9.2 Hệ số trao đổi nhiệt thể tích chung cho các sản phẩm giàu đường.....................38
CHƯƠNG III XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÔ TẢ QUÁ TRÌNH TRUYỀN
NHIỆT – TRUYỀN CHẤT TRONG THIẾT BỊ SẤY PHUN CÙNG CHIỀU..................41
3.1 MỤC ĐÍCH VÀ CÁC GIẢ THIẾT CỦA MÔ HÌNH TOÁN HỌC .........................41
3.1.1 Mục đích của việc xây dựng mô hình toán học ..................................................41
3.1.2 Các giả thiết khi xây dựng mô hình ....................................................................41
3.2 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA GIAI ĐOẠN SẤY TỐC ĐỘ KHÔNG ĐỔI.............42
3.2.1 Cân bằng nhiệt và cân bằng chất ........................................................................42
3.2.2 Quá trình dịch chuyển pha lỏng..........................................................................43

iii


3.3 MÔ HÌNH TOÁN GIAI ĐOẠN SẤY GIẢM DẦN..................................................45
3.3.1 Truyền nhiệt........................................................................................................45
3.3.2 Truyền chất .........................................................................................................47
3.4 CÂN BẰNG NHIỆT, CÂN BẰNG CHẤT VÀ CÂN BẰNG MOMEN GIỮA CÁC
HẠT VÀ TÁC NHÂN SẤY............................................................................................52
3.4.1 Cân bằng momen ................................................................................................52
3.4.2 Cân bằng chất......................................................................................................53
3.4.3 Cân bằng nhiệt ....................................................................................................53
CHƯƠNG IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ĐÁNH GIÁ........................55
4.1 GIẢI THUẬT VÀ LỰA CHỌN CÔNG CỤ ĐỂ TÍNH TOÁN ................................55
4.2 BIẾN THIÊN TỐC ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT TRONG KHÔNG GIAN
BUỒNG SẤY ..................................................................................................................58
4.3 NGHIÊN CỨU GIAI ĐOẠN SẤY CÓ TỐC ĐỘ SẤY KHÔNG ĐỔI.....................58
4.3.1 Ảnh hưởng của kích thước ban đầu của hạt........................................................59
4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của tác nhân sấy.............................................61
4.3.3 Ảnh hưởng của thành phần thể tích chất rắn ban đầu.........................................62
4.4 NGHIÊN CỨU GIAI ĐOẠN SẤY CÓ TỐC ĐỘ GIẢM DẦN VÀ TOÀN BỘ QUÁ
TRÌNH SẤY ....................................................................................................................64
4.4.1 Biến thiên nhiệt độ bề mặt hạt và tâm hạt theo thời gian ...................................64
4.4.2 Phân khối lượng hơi trong vỏ xốp ......................................................................65
4.4.3 Tốc độ bay hơi của hạt........................................................................................67
4.4.4 Biến thiên khối lượng, độ ẩm hạt........................................................................68
4.4.5 Biến thiên nhiệt độ và độ chứa hơi của tác nhân sấy..........................................68
CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................71
5.1 KẾT LUẬN................................................................................................................71
5.2 KIẾN NGHỊ...............................................................................................................73

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Giá trị đo nhiệt độ không khí cấp ........................................................................19
Bảng 2.2: Giá trị đo kiểm tra tốc độ không khí cấp.............................................................20
Bảng 2.3: Thành phần của cà chua ......................................................................................21
Bảng 2.5: Giá trị nhiệt độ vỏ máy nén và thời gian máy nghỉ.............................................31
Bảng 2.6: Giá trị trung tâm và khoảng biến thiên của các biến ...........................................36

v


DANH MỤC ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Các giai đoạn chính trong quá trình sấy phun .......................................................4
Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của hệ thống sấy phun.....................................................................4
Hình 1.3: Chu trình hệ thống sấy phun hở.............................................................................5
Hình 1.4: Chu trình hệ thống sấy phun kiểu kín....................................................................6
Hình 1.5: Chu trình hệ thống sấy phun kiểu nửa kín .............................................................7
Hình 1.6: Đường cong tốc độ sấy ........................................................................................10
Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của máy sấy phun IC40D..............................................................16
Hình 2.2: Vị trí các điểm đo để kiểm tra nhiệt độ không khí cấp........................................18
Hình 2.3: Vị trí đo kiểm tra tốc độ.......................................................................................19
Hình 2.4: Hình ảnh của một loại cà chua.............................................................................21
Hình 2.5: Quy trình chuẩn bị vật liệu sấy ............................................................................29
Hình 2.6: Sơ đồ lắp đặt thiết bị ............................................................................................32
Hình 2.7: So sánh hệ số trao đổi nhiệt thể tích tính theo Luikov và thực nghiệm..............35
Hình 2.8: So sánh giữa αv thực nghiệm và αv tính theo phương trình hồi quy ....................38
Hình 2.9: So sánh αV hồi quy và αV thực nghiệm .............................................................39

Hình 3.1: Mô hình của sự giảm ẩm của hạt trong giai đoạn sấy thứ nhất ...........................42
Hình 3.2: Hạt vật liệu sấy trong giai đoạn sấy 2..................................................................46
Hình 3.3: Mô hình ống mao dẫn bên trong vỏ hạt...............................................................47
Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán.................................................................................................57
Hình 4.2: Biến thiên tốc độ ở điều kiện Utns = 1 m/s, Rdo = 2mm .......................................59
Hình 4.4: Phân bố phân thể tích chất rắn bên trong hạt có cùng kích thước ban đầu là 0,2
mm ở các thời điểm khác nhau ............................................................................................61
Hình 4.5: Cường độ bay hơi của hạt ....................................................................................62
Hình 4.6: Phân thể tích chất rắn ở bên trong hạt tại các thời điểm khác nhau ....................63
Hình 4.7: Phân thể tích chất rắn ở bên trong hạt tại các thời điểm khác nhau ....................63
Hình 4.8: Biến thiên nhiệt độ bề mặt và tâm hạt .................................................................65
Hình 4.9: Thành phần khối lượng của hơi trong vỏ xốp khi độ ẩm của hạt X = 0,6, bán kính
hạt ban đầu Rdo = 2(mm)......................................................................................................66
Hình 4.10: Dòng hơi từ 1 hạt ứng ở các thời điểm khác nhau của hạt có cùng kích thước
ban đầu Rdo = 2mm ..............................................................................................................67
Hình 4.11: Biến thiên khối lượng hạt trong quá trình sấy ...................................................68
Hình 4.12: Biến thiên độ ẩm tương đối của hạt trong quá trình sấy....................................69
Hình 4.13: Biến thiên nhiệt độ tác nhân sấy ........................................................................69
Hình 4.14: Biến thiên độ chứa hơi của tác nhân sấy ...........................................................70

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
STT

Ký hiệu

Đơn vị đo

Tên gọi

1

C

kJ/kgK

2

R

m

3

d

kg/kg

4

F

m2

Diện tích

5

G

g/h

Lưu lượng khối lượng

6

m

kg

Khối lượng

7

T

oC

Nhiệt độ

8

z

m

Tọa độ

9

P

bar

Áp suất

10

X

%

Thành phần chất phụ gia Maltodextrin

11

µ

Pa.s

Độ nhớt động lực

12

λ

J/kg

Nhiệt ẩn hóa hơi

13

h

W/m2K

14

Dv

m2/s

15

Ld

m

16

αV

W/m3K

Hệ số trao đổi nhiệt thể tích

17

ϕ

-

Thành phần thể tích chất rắn

18

ε

-

Độ xốp

19

U

m/s

Tốc độ

20

t

s

Thời gian

21

D

m

Đường kính buồng sấy

22

k

W/mK

Hệ số dẫn nhiệt

23

ρ

kg/m3

Khối lượng riêng

24

v

m/s

25

ω

-

Nhiệt dung riêng
Bán kính hạt
Độ chứa hơi của tác nhân sấy

Hệ số trao đổi nhiệt
Hệ số bay hơi
Chiều dài hang xốp

Tốc độ dịch chuyển ẩm
Phân khối lượng

vii


26

σ

N/m

27

Q

W

28

M

kg/kmol

29

x

%

Sức căng bề mặt
Dòng nhiệt
Khối lượng kilomol
Độ ẩm hạt
KÝ HIỆU CHÂN

Ký hiệu

Ý nghĩa

kn

Khí nén

v

Hơi

a

Không khí khô

cr

Vỏ xốp

wc

Nhân ướt

l
sat

Lỏng
Bão hòa

d

Hạt

g

Môi trường tác nhân sấy

viii

LỜI MỞ ĐẦU
Trải qua nhiều thập kỉ nghiên cứu và phát triển, sấy phun đang ngày càng
được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ việc sản xuất các sản phẩm
đòi hỏi yêu cầu chất lượng và vệ sinh cao như sản xuất thuốc, bột của một số loại
hoa quả tới công nghiệp khai khoáng, sản xuất thuốc trừ sâu. Công nghệ sấy phun
được sử dụng nhiều như vậy là do đây là một phương pháp tiên tiến, tạo thành sản
phẩm bột có chất lượng cao, thời gian sấy nhanh, có thể áp dụng cho cả vật liệu
nhạy cảm với nhiệt độ và vật liệu chịu được nhiệt.
Hiện nay công nghệ sấy phun vẫn được tiếp tục nghiên cứu để đáp ứng nhu
cầu của nền công nghiệp hiện đại hóa cao trên thế giới. Các nghiên cứu tập trung
chủ yếu theo hai hướng chính: hướng thứ nhất là nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng
dụng công nghệ sấy phun trên nhiều lĩnh vực khác nhau theo tiêu chí vận hành an
toàn, tiết kiệm năng lượng và cho sản phẩm có chất lượng cao; hướng thứ hai là mô
phỏng quá trình sấy phun với sự trợ giúp của chương trình máy tính nhằm đánh giá
ảnh hưởng của các thông số vận hành, từ đó tìm ra giải pháp tối ưu nhất để cải tiến
và hoàn thiện dần công nghệ sấy phun.
Sản lượng rau quả của Việt Nam hiện nay không ngừng được tăng lên nhờ có
quá trình hiện đại hóa nền nông nghiệp. Tuy nhiên, hầu hết các loại sản phẩm này
chỉ có thể sử dụng theo mùa vụ do thời gian bảo quản ngắn dẫn tới sự dư thừa hoặc
thiếu hụt tùy theo từng thời vụ trong năm. Hơn nữa, nhu cấu sử dụng thức ăn nhanh
ngày càng lớn nên việc sản xuất các loại bột từ các loại trái cây nhằm kéo dài thời
gian sử dụng và đáp ứng nhu cầu về nguyên liệu cho ngành công nghiệp thực phẩm
có ý nghĩa thực tiễn rất lớn. Công nghệ sấy phun là một trong những giải pháp tối
ưu cho nhu cầu này.
Mục đích của cuốn luận văn chính là nghiên cứu quá trình truyền nhiệt –
truyền chất trong thiết bị sấy phun nói chung và trong quá trình sấy phun các sản
phẩm giàu đường nói riêng.

1

Nội dung luận văn gồm hai phần chính:
-

Phần thứ nhất là nghiên cứu thực nghiệm về quá trình sấy phun một
sản phẩm nông nghiệp của Việt Nam là cà chua.

-

Phần thứ hai là tiến hành xây dựng mô hình toán học nghiên cứu quá
trình truyền nhiệt truyền chất trong thiết bị sấy phun cùng chiều.

2


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY PHUN
1.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY PHUN
1.1.1 Giới thiệu công nghệ sấy phun
Hệ thống sấy phun là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy các vật liệu sấy dạng
dung dịch huyền phù bằng cách phun vật liệu sấy vào môi trường tác nhân sấy
nóng. Ví dụ công nghệ sản xuất sữa bột, bột đậu nành, bột trứng…Đây là một quá
trình biến đổi liên tục của các hạt lơ lửng. Vật liệu sấy đầu vào có thể là dung dịch
hòa tan, huyền phù hoặc bột nhão. Sản phẩm ra có thể là bột khô, hạt nhỏ hoặc khối
kết tụ tùy thuộc vào đặc tính lý hóa của vật liệu và việc thiết kế vận hành thiết bị.
Những nghiên cứu và phát triển của công nghệ sấy phun trong những thập kỉ
gần đây đã khiến sấy phun trở thành công nghệ sấy có sức cạnh tranh cao, có thể
ứng dụng cho rất nhiều loại sản phẩm. Công nghệ sấy này ngày càng được mở rộng
ứng dụng cho rất nhiều sản phẩm hữu ích trong công nghiệp cũng như trong đời

sống hàng ngày.
1.1.2 Phân loại và nguyên lý hoạt động của các loại thiết bị sấy phun
1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Quá trình sấy phun gồm 4 vùng như trên hình vẽ 1.1:
-

Vùng 1: phun nhiên liệu sấy vào buồng sấy

-

Vùng 2: tác nhân sấy tiếp xúc với vật liệu

-

Vùng 3: là giai đoạn bay hơi lỏng từ vật liệu sấy cho tới khi độ ẩm đạt yêu
cầu

-

Vùng 4: thu hồi sản phẩm từ tác nhân sấy.

Hình 1.2 là sơ đồ cấu tạo của hệ thống sấy phun tương ứng với 4 giai đoạn nói
trên. Vật liệu sấy được bơm từ thùng chứa liệu vào vòi phun. Vòi phun được đặt
trong một bộ phân tán không khí, qua đó tác nhân sấy vào buồng sấy. Không khí

3


được lấy từ môi trường ngoài bằng một quạt cấp và được cấp nhiệt bằng bộ cấp
nhiệt. Sau đó tác nhân sấy được đưa vào buồng sấy, phần lớn sản phẩm sấy khô

được thu hồi tại đáy buồng sấy và vào hệ thống chuyên chở bằng máng thu hồi. Sau
đó không khí được lọc

Hình 1.1: Các giai đoạn chính trong quá trình sấy phun

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của hệ thống sấy phun

4


qua bộ lọc. Phần tác nhân sấy có lẫn phần vật liệu sấy còn lại được đưa qua đường
dẫn vào xyclon để thu hồi sản phẩm. Khí thải được thải ra ngoài môi trường bằng
quạt thải. Hệ thống vận chuyển sản phẩm sấy cũng được nối với đáy của xyclon.
2 Phân loại
Tùy theo công dụng mà ta có các loại hệ thống sấy phun như sau:
a, Chu trình hở
Phần lớn các hệ thống sấy phun hoạt động theo chu trình hở (hình 1.3) với tác
nhân sấy là không khí bình thường. Không khí được lấy từ môi trường, sau khi
được gia nhiệt trực tiếp hoặc gián tiếp thì đi qua hệ thống sấy một lần. Tại buồng
sấy, tác nhân sấy trao đổi nhiệt - ẩm với vật liệu sấy rồi được thải ra môi trường.
Trước khi thải ra ngoài môi trường, khí thải được làm sạch trong xyclon, túi lọc, bộ
lọc tĩnh điện hoặc bộ lọc kiểu ướt.

Hình 1.3: Chu trình hệ thống sấy phun hở

5


b, Chu trình kín
Một số hệ thống sấy sử dụng tác nhân sấy là khí trơ thay cho không khí thì hệ

thống phải hoạt động theo chu trình kín (hình 1.4). Hệ thống sấy phun này thường
áp dụng để sấy các hợp chất hữu cơ và các sản phẩm không được phép tiếp xúc với
oxi. Khí trơ sau khi trao đổi nhiệt ẩm với vật liệu sấy thì đi qua giàn ngưng. Thiết bị
sấy này được thiết kế tuân theo các quy chuẩn nghiêm ngặt. Hơi dung môi dễ cháy
nổ bị hấp thụ bởi tác nhân sấy được thu hồi hoàn toàn ở dạng lỏng trong thiết bị lọc
khí – ngưng tụ.

Hình 1.4: Chu trình hệ thống sấy phun kiểu kín
c, Chu trình nửa kín
Đối với các hệ sản phẩm sấy có thể tạo thành hỗn hợp bột – khí dễ cháy nổ
nếu dùng buồng sấy trong chu trình hở hoặc khí thải có chứa chất gây ô nhiễm thì
người ta sử dụng hệ thống sấy hoạt động theo chu trình nửa kín (hình 1.5). Ngăn
chặn cháy nổ bằng cách sử dụng hệ thống cấp nhiệt trực tiếp và điều chỉnh hàm
lượng oxi vào buồng sấy tới mức thấp nhất. Các chất gây ô nhiễm thì được khử
trước khi được thải ra môi trường.

6


3 Ưu, nhược điểm của hệ thống sấy phun
a, Ưu điểm
- Vận hành liên tục, có khả năng tự động hóa cao, hiệu quả kinh tế lớn.
- Biến đổi trực tiếp nguyên liệu dạng lỏng thành dạng bột khô.
- Thời gian sấy ngắn
- Có thể áp dụng cho cả vật liệu sấy nhạy cảm nhiệt độ và có khả năng chịu
được nhiệt, vật liệu dễ cháy nổ, độc hại…mà không nguy hại tới môi trường.
- Có thể thiết kế đáp ứng mọi công suất yêu cầu.
b, Nhược điểm
- Chi phí ban đầu cao
- Hiệu suất thu hồi thấp hơn các phương pháp sấy khác

- Đòi hỏi vệ sinh, bảo dưỡng liên tục.
- Sản phẩm dễ bị biến chất (mất hương vị, màu sắc,…) khi vận hành ở chế độ
không hợp lý.

Hình 1.5: Chu trình hệ thống sấy phun kiểu nửa kín

7


1.2 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG
THIẾT BỊ SẤY PHUN
Sự bay hơi của các hạt lỏng bao gồm hai quá trình là truyền nhiệt và truyền
chất. Khi các hạt lỏng tiếp xúc với tác nhân sấy, nhiệt được truyền bằng đối lưu từ
không khí vào hạt, và lượng nhiệt này chuyển một phần thành nhiệt ẩn trong quá
trình bay hơi. Ẩm thoát ra môi trường xung quanh hạt bằng khuếch tán ẩm qua lớp
biên bao quanh các hạt. Sự sai khác rất lớn về vận tốc của các hạt và môi trường tác
nhân sấy và đồng thời có quá trình truyền nhiệt – truyền chất nên sẽ có một sự trao
đổi momen giữa các hạt và xung quanh.
Tốc độ trao đổi nhiệt – trao đổi chất là một hàm của nhiệt độ, độ ẩm và các
tính chất chuyển động của tác nhân sấy xung quanh mỗi hạt. Nó cũng là hàm của
đường kính hạt và tốc độ tương đối giữa hạt và không khí.
Quá trình bay hơi của các hạt bắt đầu bằng sự dịch chuyển ẩm với tốc độ gần
như không đổi và nhiệt độ bề mặt hạt không đổi (giai đoạn sấy 1), tiếp theo là giai
đoạn tốc độ bay hơi giảm dần cho tới khi hoàn tất quá trình sấy (giai đoạn sấy 2 hay
giai đoạn sấy giảm dần). Giai đoạn sấy 2 bắt đầu khi độ ẩm của hạt đạt tới giá trị tới
hạn.
Phần lớn ẩm trong hạt được thoát ra trong giai đoạn sấy 1. Ẩm dịch chuyển từ
bên trong hạt với tốc độ đủ để bề mặt hạt duy trì trạng thái bão hòa. Tốc độ bay hơi
có thể coi như bằng hằng số, mặc dù điều này không thật chính xác. Trong quá trình
sấy phun, sự bay hơi của các hạt bắt đầu ngay thời điểm hạt tiếp xúc với tác nhân

sấy, và sự truyền ẩm rất nhanh vào môi trường có liên quan tới sự giảm nhiệt độ của
tác nhân sấy. Sư giảm nhiệt độ của môi trường làm giảm động lực của quá trình
truyền nhiệt, và tốc độ bay hơi có thể giảm ngay cả khi bề mặt vẫn ở trạng thái bão
hòa. Tuy nhiên, giai đoạn sấy 1 thường được coi là giai đoạn sấy có tốc độ không
đổi.

8


Sự dịch chuyển ẩm làm độ ẩm trong hạt giảm dần và dần tới điểm mà bề mặt
hạt không còn được duy trì ở trạng thái bão hòa nữa, kết quả là tốc độ bay hơi hạt
giảm dần. Tốc độ dịch chuyển ẩm phụ thuộc vào nhiệt độ của tác nhân sấy.
Nếu nhiệt độ tác nhân sấy quá cao đến nỗi sự bay hơi từ bề mặt hạt ra ngoài
môi trường ở ngay thời điểm bắt đầu đã lớn hơn tốc độ dịch chuyển ẩm từ bên trong
hạt ra ngoài bề mặt. Khi đó, sự dịch chuyển ẩm không thể duy trì trạng thái bão hòa
cho bề mặt, hạt sẽ trải qua giai đoạn sấy không đổi rất ngắn. Lớp vỏ khô sẽ tạo ra
ngay lập tức tại bề mặt hạt.
Lớp vỏ khô này là một lớp ngăn cản sự truyền ẩm, vì vậy nhiệt độ tác nhân
sấy có thể ảnh hưởng tới tính chất của sản phẩm. Sự tăng nhiệt độ buồng sấy có thể
dẫn đến sự tạo thành vỏ khô nhanh hơn làm cho nhiệt độ bề mặt hạt tăng.
Thời gian bay hơi của hạt ở cùng điều kiện nhiệt độ tác nhân sấy phụ thuộc
vào hình dạng hạt, tính chất hóa lý và hàm lượng chất rắn không tan trong hạt. Thời
gian bay hơi chính xác bằng tổng của thời gian diễn ra giai đoạn sấy 1 và giai đoạn
sấy 2 cho tới khi đạt độ ẩm yêu cầu.
Các đặc điểm chung của toàn bộ quá trình sấy được chỉ ra trên hình (1.6).
Giai đoạn đốt nóng
Trên đường cong AB, quá trình sấy bắt đầu diễn ra ngay khi hạt tiếp xúc tác
nhân sấy. Nhiệt độ bề mặt hạt tăng nhẹ, và tốc độ sấy tăng trong một khoảng thời
gian rất ngắn đến khi sự truyền nhiệt qua bề mặt hạt – không khí đạt giá trị cân bằng
Giai đoạn sấy có tốc độ không đổi

Giai đoạn này được biểu diễn bằng đoạn BC, đây là giai đoạn có tốc độ bay
hơi nhanh nhất trong toàn bộ quá trình sấy. Bề mặt hạt được duy trì ở trạng thái bão
hòa nhờ sự dịch chuyển ẩm từ bên trong hạt đáp ứng cân bằng với sự bay hơi.
Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần
Điểm C là điểm độ ẩm của hạt đạt tới trạng thái tới hạn và ẩm bên trong hạt
không thể duy trì trạng thái bão hòa của bề mặt. Trong giai đoạn này có thể tồn tại
nhiều hơn một giai đoạn, nếu diện tích bề mặt ướt cục bộ vẫn còn. Giai đoạn này

9


tiếp tục diễn ra cho đến khi đạt trạng thái cân bằng với môi trường tác nhân sấy
hoặc đạt tới độ ẩm yêu cầu.

Hình 1.6: Đường cong tốc độ sấy
1.3 CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG SẤY PHUN
Hệ thống sấy phun có những ưu điểm riêng mà các hệ thống sấy khác không
có được. Chính vì vậy mà công nghệ sấy phun đang ngày càng được quan tâm
nghiên cứu nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của đời
sống hàng ngày, hoàn thiện dần để đảm bảo việc vận hành an toàn, hiệu quả. Hiện
nay, đã có rất nhiều các nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm mà điển hình là
các nghiên cứu sau đây:
1.3.1 Các nghiên cứu lý thuyết
Hai nhà khoa học Hy Lạp là M.Kadja và G.Bergeles thuộc khoa Cơ Khí,
trường đại học quốc gia Athens đã lập được mô hình tính toán quá trình sấy các hạt
huyền phù [10]. Kết quả thu được như sau:

10

- Thời gian bay hơi giảm khi các hạt có hàm lượng chất rắn lớn hơn và cường
độ bay hơi tăng khi kích thước ban đầu của các hạt nhỏ hơn.
- Khi tăng tốc độ tương đối giữa hạt và môi trường tác nhân sấy tại vòi phun
thì hiệu quả sấy tăng lên, tuy nhiên sự tăng lên này không nhiều.
- Ngoài ra còn các kết quả tính toán khác về thời gian tăng nhiệt độ hạt và ảnh
hưởng của các thông số ban đầu (áp suất tác nhân sấy, độ ẩm ban đầu của tác nhân
sấy,…
Do các tác giả đã sử dụng nhiều hệ số thực nghiệm trong khi xây dựng hệ
phương trình vi phân mô tả quá trình truyền nhiệt truyền chất nên tính khái quát của
mô hình bị giới hạn.
Nhóm tác giả gồm Lixin Huang, Kurichi Kumar và A.S. Mujumdar thuộc
khoa Cơ khí trường đại học Quốc gia Singapore đã sử dụng CFD để mô phỏng
trường vận tốc, nhiệt độ, độ ẩm trong buồng sấy và tính toán tốc độ bay hơi thể tích,
cường độ truyền nhiệt và lượng năng lượng tiêu tốn trong 1 đơn vị thể tích buồng
sấy ở các điều kiện khác nhau về áp suất vận hành, độ ẩm không khí vào và hệ số
truyền nhiệt của một hệ thống sấy phun cùng chiều [9].
R.Bhandari, Tony Howes và Vinh Truong [7] đã sử dụng thành công mô hình
toán học của Negiz với việc đưa ra khái niệm về hệ số năng suất sấy vào mô hình
toán (tương ứng với các giai đoạn sấy thì có hệ số này có giá trị khác nhau) để tìm
chế độ sấy tối ưu cho các sản phẩm giàu đường. Nhưng hệ số năng suất sấy được
tính toán hoàn toàn bằng thực nghiệm.
Tại Việt Nam, tác giả Nguyễn Tiến Quang cũng phát triển tiếp mô hình toán
học của Vinh Truong và các cộng sự để mô phỏng quá trình sấy phun bằng phần
mềm CFD áp dụng cho dòng 2 pha [5]. Qua đó tác giả đã xác định được biến thiên
nhiệt độ, tốc độ, độ ẩm của dòng tác nhân sấy và dòng hạt sấy với vật liệu sấy là
hỗn hợp dịch chanh dây và maltodetrin. Các kết quả thu được từ nghiên cứu lý
thuyết phù hợp với kết quả thực nghiệm mà tác giả đã tiến hành.

11

Nhìn chung các nghiên cứu lý thuyết nhằm mô phỏng lại quá trình truyền
nhiệt – truyền chất trong buồng sấy phun đã thu được một số kết quả có thể làm cơ
sở cho những nghiên cứu ứng dụng sau này. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chưa
được hoàn thiện, phần lớn phải sử dụng các hệ số thực nghiệm nên chưa thể ứng
dụng một cách tổng quát cho tất cả các loại vật liệu sấy và độ tin cậy chưa cao.
1.3.2 Các nghiên cứu thực nghiệm
Các công trình nghiên cứu thực nghiệm chủ yếu tập trung vào nghiên cứu sấy
phun các sản phẩm rau quả nhằm xác định thông số vận hành tối ưu
Một nhóm tác giả của Brasil gồm Alexandre Santos de Soura, Soraia Vilela
Borges và Natalia Ferreira Magalhaes tiến hành nghiên cứu quá trình sấy phun nước
ép cà chua. Các tác giả tiến hành 11 chế độ sấy với 3 biến đầu vào biến thiên trong
các khoảng: lưu lượng vật liệu (127 – 276 g/phút), nhiệt độ tác nhân sấy (200 –
220oC) và tốc độ phun (25000 – 35000 rpm) để đánh giá ảnh hưởng của chúng tới:
độ ẩm, độ hòa tan, khả năng nhiễm ẩm và màu sắc của sản phẩm. Kết quả cho thấy:
- Các yếu tố này chỉ ảnh hưởng đáng kể tới màu của sản phẩm.
- Màu sản phẩm bị tối đi và ít đỏ hơn khi tăng giá trị của các biến đầu vào.
- Ở tốc độ phun thấp (25000 rpm) và nhiệt độ không khí thấp (200oC) thì cho
các hạt sáng hơn.
Trong lĩnh vực nghiên cứu sản phẩm cà chua còn có nhóm tác giả M.Goula và
G.Adamopoulos [12], những tác giả này đã tiến hành nghiên cứu quá trình sấy cà
chua trong hệ thống sấy tiêu chuẩn và hệ thống sấy cải tiến có môi trường không
khí đã được giảm ẩm. Các kết luận được đưa ra từ nghiên cứu thực nghiệm của họ
là:
- Hiệu suất thu hồi sản phẩm tăng khi lưu lượng tác nhân sấy, nhiệt độ tác
nhân sấy vào và áp suất khí nén tăng.

12

- Khi nhiệt độ và độ ẩm tác nhân sấy trong hệ thống sấy cải tiến càng giảm thì
tạo thành vỏ khô trên bề mặt hạt càng nhanh và kết quả là, làm giảm thời gian lưu
trú của hạt nên làm tối thiểu hóa sự bám dính bề mặt của hạt.
J.Grabowski, C.R.Daubert và V.D.Truong của Mỹ [6] thì tiến hành nghiên cứu
ảnh hưởng của Amylase, Maltodetrin và nhiệt độ không khí vào tới tính chất của
bột khoai lang đã thành công trong việc nghiên cứu sản xuất bộ khoai lang chất
lượng cao từ dung dịch khoai lang nghiền qua đó mở ra một cơ hội mới cho ngành
sản xuất khoai lang.
Các nhà khoa học của New Zeland là S.Kentish, M.Davidson, H.Hassan,
C.Bloore [13] thì tiến hành nghiên cứu sự hình thành vỏ hạt của sữa trong quá trình
sấy phun. Trong nghiên cứu này, trao đổi nhiệt bằng bức xạ được sử dụng thay cho
trao đổi nhiệt bằng đối lưu và tốc độ sấy hay quá trình khuếch tán được duy trì
không đổi bằng cách tăng nhiệt độ rất nhanh. Sự khuếch tán ẩm ảnh hưởng trực tiếp
tới sự thất thoát protein và chất béo trong thành phần rắn của sữa. Theo thời gian, sự
khuếch tán ẩm làm tăng thành phần khối lượng của chất rắn và tạo thành vỏ khô ở
bên ngoài hạt. Hệ số khuếch tán ẩm qua vỏ khô thấp hơn trong hạt sữa lỏng. Tốc độ
làm dày của vỏ khô là hàm của hàm lượng protein và nhiệt độ hạt.
Nguyễn Đức Quang [4] cũng tiến hành nghiên cứu thực nghiệm quá trình sấy
phun với vật liệu sấy là sữa tươi và đã xây dựng được công thức thực nghiệm tính
toán hệ số trao đổi nhiệt thể tích theo 3 thông số đầu vào là: lưu lượng không khí, áp
suất khí nén, nhiệt độ không khí vào. Từ đó, tác giả tìm ra được chế độ sấy tối ưu
cho sữa tươi.
Ngoài ra còn có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm cho các nguyên liệu khác
nhau như: sấy chanh dây [5], [15], sấy cam [17]…Tất cả các tác giả đều đưa ra
được công thức tính toán hệ số trao đổi nhiệt thể tích bằng phương pháp quy hoạch
thực nghiệm.
Dựa vào các kết quả thực nghiệm, được tiến hành trên mô hình sấy phun của
viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh với 3 loại sản phẩm: chanh dây, sữa, cam,

13

Nguyễn Đức Quang và Đặng Quốc Phú [14] đã bước đầu xây dựng thành công công
thức thực nghiệm tổng quát cho một số sản phẩm giàu đường.
Theo một hướng khác, Phan Tiến Hùng [16] đã tiến hành nghiên cứu thực
nghiệm sấy chanh và gừng trên thiết bị ∃Y-6 để xây dựng công thức thực nghiệm
cho các thông số: tỷ lệ hao hụt sản phẩm, tiêu hao điện năng, độ ẩm của sản phẩm,
năng suất sấy dựa trên 4 thông số đầu vào là: Nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu, áp suất
phun sương, áp suất đẩy dịch sấy, tỷ lệ chất phụ gia.
Như vậy, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu thực nghiệm cả ở trong và
ngoài nước. Các công trình nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào các sản phẩm cụ
thể nhằm đi sâu vào việc tìm ra chế độ sấy tối ưu cho các sản phẩm này. Tuy nhiên,
theo hướng này vẫn cần được đầu tư nghiên cứu các sản phẩm khác để mở rộng
phạm vi ứng dụng của hệ thống sấy phun trong các lĩnh vực khác nhau của cuộc
sống.

14


CHƯƠNG II
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
2.1 MỤC ĐÍCH CỦA NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Trong hệ thống sấy phun, hệ số trao đổi nhiệt thể tích ( αV ) là đại lượng rất
quan trọng vì nó đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt và trao đổi chất giữa các hạt
và dòng tác nhân sấy trong buồng sấy. Các nhà khoa học đã tìm cách tính toán hệ số
này bằng cả lý thuyết và thực nghiệm nhưng việc tính toán αV vẫn dựa chủ yếu vào
công thức của Luikov và kết quả thu được sai khác với thực tế rất lớn.
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm trong luận văn này là tiến hành tính
toán từ số liệu thực nghiệm hệ số trao đổi nhiệt thể tích trong quá trình sấy phun
nước ép cà chua. Từ đó tiến hành xác định chế độ sấy tối ưu cho thiết bị thí nghiệm

và kết hợp với các kết quả thực nghiệm của tác giả khác để tìm ra công thức tính
toán tổng quát cho các sản phẩm giàu đường.
2.2 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
2.2.1 Mục đích và yêu cầu của thiết bị thí nghiệm
Hệ thống thiết bị thí nghiệm phải đảm bảo được các yêu cầu sau:
- Đo và hiển thị các thông số cần thiết với độ chính xác tin cậy như: nhiệt độ
không khí cấp, nhiệt độ môi trường, áp suất và lưu lượng khí nén, nhiệt độ vào và ra
của vật liệu sấy, lưu lượng vật liệu và tác nhân sấy.
- Vận hành dễ dàng và ổn định.
- Có thể kết nối với máy tính để hiển thị và ghi kết quả.
2.2.2 Thiết bị thí nghiệm IC40D
Mô hình thí nghiệm IC40D là một máy sấy phun sử dụng nguyên lý sấy phun
cùng chiều với vòi phun khí động. Thiết bị này được sản xuất tại Italia và được

15


trang bị cho phòng thí nghiệm Trọng điểm của Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt
Lạnh, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
1 Cấu tạo

Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của máy sấy phun IC40D
1. Máy nén khí

10. Bình thu cặn sấy

2. Van giảm áp

11. Bộ thu sản phẩm cyclon

3. Vòi phun

12. Bình thu sản phẩm sấy

4. Bơm nhu động cấp liệu

13. Bộ phận phun khí

5. Bình cấp liệu

14. Bảng điều khiển

6. Không khí vào sấy

15. Đầu cảm biến nhiệt độ không khí cấp

7. Quạt đa tốc

16. Đầu cảm biến nhiệt độ không khí ra

8. Kháng trở nhiệt

17. Đầu cảm biến nhiệt độ không khí vào

9. Buồng sấy

16